Editorial - upvm.edu.mxEste proceso fue estudiado y graficado por Everett Rogers (Figura 1.3), que...

Universidad Politécnica del Valle de México 1

Editorial

Las actividades de investigación científica, humanística y tecnológica generan nuevos conocimientos y las Instituciones de Educación Superior los transmiten y los incorporan en sus planes y programas de estudio, por lo tanto los estudiantes los pueden adquirir durante su formación profesional. Por otra parte los sectores productores de bienes y servicios, incorporan el conocimiento como insumo en sus productos y servicios, generando la innovación en los mismos y mejorando de esta forma la productividad y competitividad de dichos sectores.

La información generada como resultado de las actividades científicas, humanísticas y tecnologías, se puede convertir en conocimiento a través de diversos procesos que se llevan a cabo en universidades, instituciones de educación superior, y centros de investigación y desarrollo. Cuando el conocimiento se convierte en insumo fundamental de los procesos sociales, económicos y culturales, se produce la innovación, generando nuevos productos y servicios. En este sentido se logra la articulación formación-investigación-innovación; sin embargo por una parte se originan fortaleza y oportunidades que mejoran las condiciones de bienestar y progreso de las personas y de la sociedad en general, pero por otra se pueden originar amenazas y debilidades, que trastocan y afectan negativamente el tejido social.

Para socializar los resultados de la articulación formación-investigación-innovación, es fundamental difundir dichos resultados, en consecuencia en este número de Innovación Tecnológica, se han incluido artículos generados por investigadores de instituciones y empresas de reconocido prestigio como Manpower; la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM); el Instituto Politécnico Nacional (IPN); la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM), y la Universidad Politécnica del Valle de México (UPVM);cabe destacar que los investigadores de la UPVM son profesores de tiempo completo, que conforman los cuerpos académicos (CA) y participan en redes de colaboración con otras instituciones de educación superior.

En este número se incluye un artículo del Consejo Mexiquense de Ciencia y Tecnología (COMECyT), orientado a fomentar la innovación como una estrategia de desarrollo a través del Sistema Estatal de Innovación.

Estudio Dispersión de Luz Dinámica de Nanopartículas de Oro (AuNPs): Efecto Temperatura

Control Bilateral de un Sistema de Teleoperación Maestro Esclavo Similar

La Innovación comoestrategia

Cambios microestructurales de laaleación Zn - 22% pAl - 2% Cu producidos por envejecimiento a 290 oC

3

10

8

16

Innovación Tecnológica

Contenido

Análisis exergético del ciclo de refrigeración por compresión de vapor utilizando CO2

20

Construyendo un SistemaEstatal de Innovación

26


1.1 ¿Qué es la innovación aplicada?

La palabra innovación ha dominado las discusiones en prácticamente

todos los ámbitos del quehacer humano contemporáneo: No

solamente en los negocios, sino también en el gobierno, la academia

y organizaciones sociales de todo tipo. Pero como todo concepto de

moda, el de innovación resulta a veces confuso y malentendido, por

lo que el valor y la importancia de la verdadera innovación aplicada

se nos escapan junto con los beneficios que ésta nos debería traer.

Cuando hablamos de innovación, no nos referimos exclusivamente

a un avance tecnológico patentado, el trabajo de un laboratorio de

Investigación y Desarrollo (IyD) en una empresa globalizada o una

iniciativa de alto impacto.

La innovación (del latín innovatio, “renovar”)1 se refiere a la

dinámica de las organizaciones humanas que nos lleva a ser mejores

productores, vendedores, estudiantes, gobernantes, etc. En esa

acepción, la Product Development Management Association (PDMA)

la define como “Una nueva idea, método o producto. Se conoce

también como el acto de creación de un nuevo producto o proceso;

dicho acto envuelve tanto la invención como el trabajo requerido

para que la idea o concepto tome forma”2.

Para fines de esta investigación, la innovación aplicada es entendida

como un cambio revolucionario o el desarrollo de un nuevo producto,

proceso, organización, sistema de pensamiento o modelo de negocio

que genere un valor apreciado por el mercado (Manpower, 2010).

Es el motor más importante para la generación de valor económico

y social en el siglo XXI, pues ha sido aplicada en todos nuestros

ámbitos de influencia, lo cual ha permitido evolucionar y mejorar

nuestra competitividad en el mercado. En ese sentido, la innovación

puede trasladarse a categorías de productos o servicios, desarrollo

de tecnologías o implementación de modelos de negocios

que no se hayan visto antes (véase Figura 1.1).

Por ello, debe ser compromiso de los empleadores identificar a la

innovación como un elemento necesario en el desarrollo y evolución

de sus organizaciones y para orientar su gestión del talento en la

obtención de aquellos elementos que ayuden a desarrollar un

proyecto de innovación. Los altos mandos también deberán analizar

los distintos ejes a partir de los cuales se pueda emprender un

proyecto. Estos ejes nos permitirán entender la naturaleza de la

innovación, sus principales características, lo que podemos esperar

de ella y cómo administrarla.

1.2 Ejes de la innovación

Por medio de estos ejes podemos responder las preguntas básicas

para desarrollar un proyecto de innovación en una organización:

a) La fuente (¿quién?). Indica si la innovación se realizó dentro o fuera

de la organización. La innovación interna puede ser orgánica (aquélla

que se da de manera espontánea y sin una estrategia concreta para

La Innovación comoestrategia

Figura 1.1 Áreas de aplicación de la innovaciónFuente: PDMA Chapter México, 2008.

1 Real Academia Española, Diccionario de la Lengua Española, 20ª edición en línea: http://www.rae.es2 PDMA, The PDMA Glossary for New Product Development, 2006: http://www.pdma.org/npd_glossary.cfm

Extraído del documento de Manpower:Talento para la Innovación: Una Nueva Cultura de NegociosCapítulo 1

4 Universidad Politécnica del Valle de México

generarla) o sistémica (es la que está respaldada por una práctica

definida por la organización). La innovación orgánica es generada por

algún integrante de la organización.

Por otro lado, las innovaciones externas se pueden dar por

adquisición, colaboración con otras organizaciones o por una política

de desarrollo de proveedores innovadores. Es común encontrar

organizaciones o instituciones que se perciben con capacidades

limitadas para realizar una innovación necesaria, por lo que pueden

recurrir a organizaciones más adecuadas, probablemente más

pequeñas, para realizar esta innovación (véase Tabla 1.1).

requiere la innovación incremental o sostenida. En otros mercados,

cuya competencia se basa en cambios agresivos en sus estrategias o

línea de productos, es necesaria la innovación disruptiva.

b) El enfoque (¿qué?). Se refiere al resultado principal de la innovación,

ya sea un producto, servicio, proceso o nuevo modelo de negocio.

De este enfoque dependerá el usuario final de la innovación. Los

productos y servicios están dirigidos al consumidor, y los procesos

y el modelo de negocio afectan a la organización, ya sea en parte

o en general. De acuerdo con los directivos entrevistados, este eje

es crítico pues “hay proyectos de innovación que no tienen éxito

porque se entendían como una innovación en producto, cuando se

trataba de un cambio en el modelo de negocio”3. La claridad en ese

sentido es muy valiosa.

c) El origen (¿dónde?). Éste puede ser una empresa existente o un

start-up; es decir, una empresa en su punto de arranque (Manpower,

2010). La innovación generada en un start-up puede ser el activo más

importante para el desarrollo de la nueva organización, por lo que

todos los esfuerzos giran en torno a ella. En el caso de empresas

existentes, la innovación puede tener distinto nivel de importancia y

trascendencia.

d) La dirección (¿cómo?). La innovación puede ser promovida desde

los altos ejecutivos (top-down) o desde la base de la compañía

(bottom-up). El hecho de que la dirección sea top-down no garantiza

que la innovación se realice sistémicamente utilizando un proceso o

metodología ni que el nuevo producto o servicio tenga éxito una vez

lanzado en el mercado.

e) El nivel de transformación (¿cuánto?). La innovación puede

presentarse en distintas formas. Hay mercados que requieren un flujo

continuo de innovación para mantener su crecimiento; en ellos se

Tabla 1.1 Fuentes de la innovaciónFuente: Manpower, 2010.

La innovación incremental se basa en el mejoramiento continuo, y

se traduce en reducción de costos, en la mejoría de la calidad del

producto o servicio y en extensiones de línea que nos permitan

alcanzar nuevos mercados, mayor utilidad por venta o economías de

escala. Otra ventaja de este enfoque es que introduce en el ámbito

organizacional la aceptación del cambio continuo; en un entorno tan

competitivo, esta capacidad de adaptación y flexibilidad es una ventaja.

La innovación disruptiva puede entenderse como aquella introducción

de nuevos productos o servicios de un modo tal que el mercado

no esperaba. Puede sustituir completamente una tecnología, un

producto, un modelo o una práctica dominante. Esta definición

implica una adopción por parte de la fracción mayor del mercado

objetivo, sustituyendo de manera clara y contundente a

sus antecesores.

Una vez realizado este análisis dentro de la organización, (véase

Figura 1.2) el talento elegido fungirá en ocasiones como patrocinador,

facilitador o parte activa del proceso, incluso promotor del resultado

final hacia el exterior, pero siempre bajo un líder que logre alinear la

estrategia de innovación con la estrategia de negocio y que ambos

persigan un fin último en común: la adopción generalizada de la

innovación.

1.3 Adopción de la innovación

Cualquier mercado o grupo social puede adoptar una innovación de

manera gradual debido a que distintos perfiles de personas lo hacen

3 Manpower con base en las entrevistas realizadas a líderes de innovación en América Latina.


en distintos momentos. Como la innovación se reconoce en la medida

en que un mercado asigna un valor a un nuevo producto, es natural

identificar aquella innovación exitosa de acuerdo con el grado de

adopción de la misma. En ocasiones, un producto innovador no sólo

se convierte en la base común para los consumidores en un mercado

dado, sino que, por la facilidad de su uso, mejora en el desempeño o

reducción del costo de una actividad asociada con dicho producto, se

vuelve innovador para un grupo social mucho más amplio.

Figura 1.2 Los ejes de la innovaciónFuente: Manpower, 2010.

Este proceso fue estudiado y graficado por Everett Rogers (Figura

1.3), que estimó la representatividad de cada uno de los subgrupos

de individuos que componen el total del mercado (interno y externo)

y que cobran importancia en la generalización de la adopción, pues

llegado a un punto definido, ésta se volverá exponencial.

Figura 1.3 Proceso de adopción de la innovaciónFuente: Everett Rogers, Diffusion of Innovations, Glencoe, 1996.

Entender cómo o por qué se puede lograr que una innovación sea

adoptada por más individuos es fundamental para que la práctica de la

innovación no se convierta en ese tema de moda, lejano e inabarcable,

que muchas veces queda fuera de la realidad de las organizaciones,

sino en una estrategia de generación de valor aplicada en ellas. En ese

sentido, para aumentar la probabilidad de adopción de la innovación,

se deben de tomar en cuenta los siguientes factores:

a) Visibilidad: A mayor visibilidad, mayor adopción. Transmitir a los

usuarios de la innovación aspectos de calidad, vanguardia, visión u

otras características que sean altamente apreciadas por éstos.


b) Ventaja relativa: Supera a tu antecesor. Si una innovación logra

que el mercado perciba una ventaja con respecto a otras alternativas,

entonces será más fácil que sea adoptada por ese mercado. Si alguna

innovación presenta una ventaja objetiva, pero ésta no es asimilada por

el mercado, entonces perderá relevancia, y la adopción será limitada.

c) Compatibilidad: Alinear la innovación con los valores del mercado

objetivo. Si la innovación presenta notables ventajas, pero el mercado

percibe que no satisface sus necesidades, que se requiere cambios

en los valores del individuo u organización innovadora o que se han

tenido experiencias negativas con innovaciones similares, la adopción

será menor.

d) Complejidad: ¡Mantenlo simple! Se refiere al grado en el cual

la innovación es percibida como difícil de usar o implementar.

Aunque la innovación sea simple, si se requiere una teoría difícil

para comprenderla o adoptarla, la innovación no será rápidamente

aceptada por el mercado.

e) Evaluabilidad: Permite probar y decidir. El mercado analiza si tiene

una opción de probar antes de comprometerse con la innovación

con la intención de disminuir el riesgo. En la medida en que esta

evaluación sea positiva, las posibilidades de adopción serán mayores.

1.4 Generación de la innovación

Las etapas básicas de cualquier proceso de innovación aplicada son

las siguientes:

• Reconocimiento/identificación de la necesidad u oportunidad en el

mercado.

• Desarrollo del concepto.

• Desarrollo de una “solución” a esa necesidad.

• Comercialización/diseminación de la solución o alternativa.

El proceso de innovación se puede entender de una manera cíclica o

lineal. La diferencia consiste en la función que se asigne a la innovación

y en la situación particular de la organización que pretende innovar.

El modelo lineal de generación es un enfoque de proyecto; es decir,

tiene un inicio y un final. Su objetivo es generar una innovación que

presente la mayor adopción en el mercado lo más rápido posible

(véase Figura 1.4).

Por su parte, el modelo cíclico representa la estructura de un proceso

de innovación continua. El objetivo que normalmente persigue una

organización con este tipo de procesos es generar mejoras que el

consumidor valore, medir el impacto en algún indicador de desempeño

(ventas, usuarios, matrícula, entre otros) y generar aprendizaje para

que la siguiente innovación tenga aún mayor impacto en el mismo u

otro indicador de desempeño (véase Figura 1.5).

Figura 1.4 Proceso lineal de innovaciónFuente: Manpower, 2010.

Figura 1.5 Modelo cíclico de innovaciónFuente: Manpower, 2010.


La primera evaluación de un proyecto o esfuerzo dado consiste en

explorar nuevas posibilidades; después, se evalúa la viabilidad y el

potencial del desarrollo y, por último, se piensa en realizar esfuerzos

para introducir o comercializar la innovación. La segunda evaluación,

relacionada con la factibilidad de proporcionar una solución adecuada

y satisfactoria para la necesidad a la que se dirige la innovación,

permite identificar a tiempo proyectos que no van a funcionar y así

minimizar posibles pérdidas de energía, tiempo o dinero.

Cabe señalar que el talento requerido para cada una de las etapas

puede variar dependiendo de sus habilidades y competencias. Éstas

deberán ser gestionadas correctamente por el líder del proyecto de

innovación, que mantendrá el enfoque de la estrategia organizacional

de la empresa.

1.5 El impacto del talento en la innovación

El activo básico de cualquier organización es el talento, por lo que

cualquier esfuerzo que tenga como objetivo establecer prácticas

que generen resultados para la innovación tiene que enfocarse en la

selección, desarrollo, liderazgo y retención del talento.

Las grandes organizaciones del siglo XX desarrollaron estándares

y prácticas de gestión de talento que fueron muy efectivas en su

momento, pero ahora pueden convertirse en un obstáculo para

la innovación. Durante el periodo de la economía de eficiencia, las

estructuras verticales y la estandarización de los procesos únicos

e “infalibles” fueron un impulsor de ventajas competitivas que

eran suficientes para permanecer o dominar mercados locales e

internacionales de aquel entonces.

El entorno competitivo actual es distinto, por lo que la eficiencia no

es un diferenciador suficiente; en algunas ocasiones ésta ni siquiera

es posible debido a la competencia de países con bajos costos. Las

estructuras verticales y predecibles necesitan evolucionar hacia

estructuras que sean terreno fértil para la innovación.

Estos cambios organizacionales deben reflejarse en la integración de

los equipos de trabajo, la formación de un liderazgo preparado para

la innovación, procesos claros y enfocados, así como en una cultura

que facilite la asimilación de los retos y la incertidumbre asociada con

la innovación. Las organizaciones que logren gestionar el talento para

la generación sistemática de innovación exitosa contarán con mejores

capacidades para conservar un crecimiento continuo y sostenible.

Aunque una organización mantenga sus políticas, procesos y

procedimientos alineados para generar un clima propicio para

la innovación, no será suficiente si el talento que compone tal

organización no está comprometido con ello. Es necesario que sus

integrantes y aspirantes desarrollen las capacidades, competencias

y habilidades que tradicionalmente no han sido inculcadas por el

sistema educativo latinoamericano, pero que resultan indispensables

para la integración y desenvolvimiento dentro del cambiante mundo

laboral.


ResumenEn este trabajo se presenta la preparación y caracterización de

nanopartículas de Au (AuNPs) sintetizadas a partir de las sales de

oro. La banda típica de las partículas que se encuentran en escala

nano se presenta en el espectro electrónico en estado de solución. El

análisis de la distribución del tamaño de los AuNPs por la técnica de

dispersión de luz dinámica (DLS) muestra que AuNPs no son estables

a altas temperaturas debido a la formación de conglomerados grandes

por la agregación de partículas de menor tamaño a otras de mayor

tamaño. Sin embargo, en temperatura ambiente, se encontró que el

tamaño de las AuNPs es de 18.57 nm.

Introducción: Las nanopartículas de metales nobles específicamente, las

nanopartículas de oro (AuNPs), exhiben unas excelentes propiedades

físicas, químicas y biológicas, que son intrínsecas a su tamaño

nanométrico. Éstas tienen aplicaciones considerables en la óptica,

catálisis, ciencia de materiales y nanotecnología, incluyendo la biología

y la nanomedicina[1], particularmente, la foto diagnosis y la terapia foto

termal en el cáncer y en terapia génica (vehiculización de plásmidos,

DNA, RNA, etc.,)[2]. El objetivo de la vectorización de fármacos

que promete un gran futuro es la disminución o supresión de los

efectos secundarios debido a la toxicidad, el aumento de la eficiencia

terapéutica y biodistribución, además de resolver los problemas de

solubilidad, estabilidad y farmacocinética de los medicamentos. En

esta revisión crítica, el objeto de interés son las AuNPs incluyendo

también las AuNPs no esféricas en la bioquímica y la nanomedicina

con énfasis en las áreas mencionadas anteriormente.

Aunque las AuNPs pueden ser estabilizadas por medio de diferentes

estabilizadores (ligantes, agentes activadores de superficies,

polímeros, dendrímeros, biomoléculas, etc.), Giersig y Mulvaney[3-4]

han divulgado que las AuNPs más robustas pueden ser estabilizadas

por tiolatos utilizando la fuerte unión Au-S entre el ácido débil de Au

y la base débil del tiolato. De acuerdo con esto, el método de síntesis

más popular usando la coordinación de azufre para la estabilización

Estudio Dispersión de Luz Dinámica de Nanopartículas de Oro (AuNPs): Efecto Temperatura*

de las AuNPs es, por mucho, la síntesis bifásica de Shiffrin-Brust,

que utiliza HAuCl4, tiol, bromuro de tetraoctilamonio y NaBH4 en

agua-tolueno obteniéndose AuNPs-tiolato (AuNPs)[5]. Las AuNPs

recubiertas de citrato y las AuNPs al igual que AuNPs recubiertas

de bromuro de cetiltetrametilamonio (CTAB) no son estables en

solución buffer, ya que los iones de sal tiene un efecto agregativo, pero

estas AuNPs pueden ser fácilmente estabilizadas por ligantes PEG-

tiol funcionalizados[6-8]. Con base en ello, el objetivo del presente

proyecto es preparar las nanoparticulas de oro y caracterizarlas por

diferentes técnicas analíticas, además de analizar la estabilidad de las

nanopartículas a través del tiempo y la temperatura.

Materiales y métodos:Todos los reactivos y disolventes empleados fueron de grado

analítico. Las AuNPs se prepararon a partir de las disoluciones de

tetracloroaurato (5.0 mM) y citrato de sodio (150 mM). El espectro

de absorción electrónica de los AuNPs sintetizados, se obtuvo en la

región correspondiente al ultravioleta-visible, empleando disoluciones

de agua. Las mediciones se realizan dentro de celdas de cuarzo de 1cm

de paso óptico, empleando un espectrofotómetro UV/Vis/NIR doble

haz, Perkin-Elmer Lambda 9000. La imagen microscópica de las AuNPs

se tomó por la microscopía electrónica de transmisión (Microscopio

Electrónico de Transmisión-JEOL 1200EXII). La distribución del

tamaño de las partículas se analizó por técnica de dispersión de luz

dinámica (DLS). Se obtuvieron 86 % de nanopartículas en el tamaño

de 39.71-39.86 nm, 5% de las partículas tienen un tamaño mayor de

3866-333 nm, mientras que cerca del 9% tienen un tamaño inferior

de alrededor de 0.79-0.99 nm. Las medidas similares fueron llevadas a

cabo en soluciones diluidas (0.1 mM); observándose un patrón similar

en los resultados obtenidos.

Resultados y discusión:Análisis UV-visible y Dispersión de luz dinámica (DLS):

El espectro (Fig. 1) muestra que la solución exhibe una banda visible

*Jayanthi Narayanana

Profesora de tiempo completo de la División de Ingenieria en InformáticaUniversidad Politécnica del Valle de Mé[email protected]

*José Moisés Talamantes Gómezb

Facultad de QuímicaUniversidad Nacional Autónoma de México (UNAM).


Conclusión:Las AuNPs fueron preparadas y caracterizadas por diferentes

técnicas espectroscópicas. Después de analizar los resultados, se

encontró que las AuNPs son estables a temperatura ambiente o a

bajas temperaturas, pero son sensibles a altas temperaturas debido

a la agregación de partículas de pequeño tamaño a otras de mayor

tamaño para formar conglomerados grandes.

Agradecimiento:Jayanthi Narayanan agradece a Biól. Rosa María Picaso Hernández,

Instituto de Fisiología Celular de la UNAM para su apoyo en la

técnica Microscópica. También agradece USAI (Unidad de Servicios

de Apoyo a la Investigación, Facultad de Química, UNAM) para los

servicios analíticos.

Bibliografía:[1] M.C. Daniel, D. Astruc, Chem. Rev. 104 (2004) 293.[2] G.M. Whitesides, Nat. Biotechnol. 21 (2003) 1161.[3] M. Giersig, P. Mulvaney, J. Phys. Chem. 97 (1993) 6334.[4] M. Giersig, P. Mulvaney, Langmuir 9 (1993) 3408.[5] M. Brust, M. Walker, D. Bethell, D.J. Schiffrin, R. Whyman, Journal of the Chemical

Society-Chem. Commun. (1994) 801.[6] T. Ito, N. Iida-Tanaka, T. Niidome, T. Kawano, K. Kubo, K. Yoshikawa, T. Sato, Z.H.

Yang, Y. Koyama, J. Controlled Release 112 (2006) 382.[7] T. Niidome, M. Yamagata, Y. Okamoto, Y. Akiyama, H. Takahashi, T. Kawano, Y.

Katayama, Y. Niidome, J. Controlled Release 114 (2006) 343.[8] T. Okuda, S. Kawakami, T. Maeie, T. Niidome, F. Yamashita, M. Hashida, J.

Controlled Release 114 (2006) 69.

a 516 nm la cual es una banda característica de las partículas que

se longitud de onda (nm) encuentran en nano escala. Además,

después de analizar los resultados de UV-Vis de la solución de nano-

partículas se encontró que estas partículas en solución son estables a

temperatura ambiente.

diámetro de 18.7 nm es de un mayor porcentaje, pero a elevada

temperatura (50° C), la presencia de partículas con un diámetro de

158.7 nm es mayor que la temperatura ambiente.

Microscopia de transmisión de electrones (TEM):

El comportamiento de las AuNPs fue analizado por técnicas TEM. Una

pequeña porción de la solución fue depositada en una fina lámina de

cobre cubierta con una material de carbono y después fue dejada secar

y fue analizado por TEM. Los resultados de la microscopia electrónica

muestran que hay AuNPs finas formadas a temperatura ambiente,

indicando el tamaño de las partículas es menor a 50 nm. Este estudio

sugiere que la superficie de estas partículas puede tener un carácter

fluorescente el cual es esencial para muchas aplicaciones biológicas.

Sin embargo, aunque las AuNPs son estables a temperatura ambiente

o bajas temperaturas, al elevar la temperatura a más de 75 °C, se

observa un cambio en el espectro visible, por ejemplo, la banda

de 516 nm es ligeramente desplazada hacia el lado de alta energía

(desplazamiento hacia el azul), esto indica que las partículas en

nano-escala se agrupan para formar partículas de mayor tamaño a

altas temperaturas, indicando que la temperatura juega una papel

importante en la estabilidad de las nano-partículas.

Figura 1. Espectro UV-visible que muestra la evolución de AuNPs

Diámetro (nm) La intensidad (%) 16.27 016.54 016.82 017.10 017.38 017.67 017.97 1018.27 5518.57 10018.88 9019.20 45

Tabla 1. Distribución de tamaño de la AuNPs por análisis dispersión de luz dinámica (DLS) (25°C)

En los estudios de DLS, se observó el tamaño de las partículas, en

el que la mayoría tienen un diámetro de aproximadamente 18.7 nm

y el tamaño es estable a temperatura ambiente, concordando con

los resultados de UV-Vis. Sin embargo, como se encontró en el

experimento de UV-Vis a temperatura elevada, en donde se presenta

la agrupación de nano-partículas, por la razón en el estudio de DLS el

diámetro de la partícula se incrementa de 18.7 a 158.7 nm. Además,

en temperatura ambiente la presencia de nano partículas con un

Figura 2. Imagen TEM del sistema AuNPs. Magnificación: 100000X


ResumenEn este trabajo se presenta el desarrollo de un esquema de

control bilateral para un sistema de teleoperación maestro-esclavo

constituido por 2 robots cinemáticamente similares de 2 grados de

libertad, con suposición de retardo nulo y un ambiente de interacción

como restricción, en este caso modelado como un plano virtual.

Se presentan los modelos dinámicos de ambos robots y el modelo

de la restricción la cuál es de tipo holonómica. En el modelado

dinámico de estos sistemas se utilizan ecuaciones diferenciales

algebraicas para efectos de interacción con restricciones físicas del

entorno. Se persigue que el sistema bilateral presente características

de tele-transparencia, es decir que el operador perciba y manipule

remotamente la fuerza de reacción que se produce cuando el esclavo

permanece en contacto con el objeto. Se realizan simulaciones en

lazo cerrado, las cuales muestran seguimiento en fuerza y posición

del sistema lo que resulta en transparencia del mismo. Para lograr

esta característica en el sistema bilateral se implementa en ambos

teleoperadores una técnica de control, basada en el principio de

ortogonalización en espacio articular para descomposición de fuerza

y posición, combinada con un controlador PID para seguimiento de

trayectoria en posición y fuerza.

Palabras clave: teleoperación bilateral, control ortogonal, tele-

transparencia.

AbstractThis paper presents the development of a control scheme for a

system of bilateral teleoperation master-slave consisting of two similar

kinematic robots with 2 degrees of freedom, with an assumption of

Control Bilateral de un Sistema de Teleoperación Maestro Esclavo Similar*

*Humiko Yahaira Hernández AcostaProfesor de tiempo completo de la División de Ingenieria Mecánica y ElectrónicaUniversidad Politécnica del Valle de México

*Alejandro Rodríguez ÁngelesCentro de Investigación y Estudios AvanzadosInstituto Politécnico Nacional [email protected]

*Carlos Alberto Cruz VillarDepartamento de Ingeniería EléctricaCINVESTAV - Instituto Politécnico Nacional [email protected]

zero delay and an environment of interaction as a restriction, in this

case modeled as a virtual plane. We present the dynamic models of

both robots and the model of the restriction which is considered

to be holonomic. In the dynamic model of these systems are used

algebraic differential equations for purposes of interaction with

physical constraints of the environment. It pursues that the bilateral

system features this tele-transparency, saying that the operator is

perceived and handled remotely reaction forcing that occurs when

the slave is in contact with the object. It was conducted in closed

loop simulations, with show force and position tracking system which

results in transparency. To achieve this feature in the bilateral system

is implemented in both teleoperators a technique of control, based

on the orthogonalization principle in joint space for decomposition

of force and position, combined with a PID controller for tracking

trajectory in position and force.

Keywords: bilateral teleoperation, orthogonal control, tele-

transparency.

IntroducciónEn los últimos años, una gran cantidad de investigación se ha

enfocado en el entendimiento y la superación de los problemas de

la teleoperación bilateral. Desde mediados de los 40’s, cuando el

primer teleoperador maestro-esclavo fue construido por Goertz [1],

el campo de la teleoperación ha pasado por varias etapas, empezando

por la comprensión de la interacción entre humanos y robots hasta

el control de dicha interacción y la estabilidad de la comunicación

entre ellos.

La teleoperación amplía la capacidad humana de manipular los

objetos a distancia, mediante un operador en condiciones similares

o no similares a las que se encuentra la ubicación remota. Esto se

logra a través de la instalación de un manipulador, llamado maestro,

en general el humano provee movimiento e induce fuerza en el

manipulador maestro, que a su vez se traduce en un desplazamiento,

el cuál debe ser imitado por el esclavo, quien realiza la tarea real e

interacciona con el ambiente u objeto. Si el esclavo posee sensores de

fuerza, dicha fuerza se puede transmitir o reflejar al maestro cuando

se realiza la tarea (contacto con ambiente u objeto). La fuerza de


Fig. 1 Sistema de Teleoperación Bilateral

Fig. 2 Esquema bilateral Posición-Fuerza

reacción entra en el control del maestro y entonces se dice que

existe una teleoperación controlada bilateralmente, ver Fig. 1 [2].

Aunque las fuerzas se reflejan al operador humano, éste reacciona

dependiendo de sus sentidos táctil y visual, lo que podría ser causa

de inestabilidad en el sistema en caso de retrasos presentes en los

medios de comunicación. Este retraso inducido por la inestabilidad de

la fuerza que refleja hacia el operador ha sido uno de los principales

desafíos que enfrentan los investigadores.

Desde un punto de vista de teoría de control, los principales objetivos de

teleoperación son dos:

Estabilidad: Mantener la estabilidad de los sistemas en lazo cerrado,

independientemente de la conducta del operador o el medio

ambiente.

Telepresencia: Proporcionar al operador humano un sentido de presencia

en el lugar remoto, es decir como si estuviera manipulando directamente

el objeto con el que interactúa el robot esclavo, lo cuál proporciona

transparencia del sistema entre el medio ambiente y el operador [3].

Estas tareas generalmente entran en conflicto, debido a que debe

existir un compromiso en el cumplimiento de ambas características

para hacer posible que se extienda la capacidad de los humanos

por ampliar su poder de manipulación de grandes objetos o de la

realización de tareas delicadas como la microcirugía.

Los sistemas de teleoperación que se encuentran hoy en día son tan

variados como las técnicas que se emplean para su control.

Para los esquemas bilaterales se tienen cuatro combinaciones básicas:

Posición-Posición, Posición-Fuerza, Fuerza-Posición, Fuerza-Fuerza

[4]. En la figura 2 se muestra un esquema Posición-Fuerza, donde x0

es la posición inducida por el operador hacia el maestro quién a su

vez la induce por medio de un canal de comunicación hacia el esclavo,

donde al estar en contacto con el ambiente le imprime una fuerza

de reacción que transmite hacia el maestro y este hacia el operador

cerrando el ciclo del sistema bilateral.

En este trabajo se propone un esquema de teleoperación bilateral

que garantiza la transparencia del sistema, bajo la suposición de

que el retardo es nulo. La idea básica es implementar en ambos

teleoperadores una ley de control de alto desempeño basándose

en el principio de ortogonalización [5]. Lo que garantiza una rápida

convergencia de los errores de posición y fuerza.

La parte medular de este trabajo es mostrar la ventaja que tiene el

uso de la descomposición ortogonal sobre el enfoque de impedancia

en relación al seguimiento y convergencia de los errores de fuerza y

posición del sistema de teleoperación bilateral. Mientras el control de

impedancia [6] implica un compromiso entre el seguimiento en fuerza

y el de posición, el control ortogonal hace una descomposición en

dos espacios vectoriales, uno en fuerza y otro en velocidad, lo que

permite controlar simultáneamente tanto la fuerza como la posición.

Se propone una nueva alternativa para controlar bilateralmente un

sistema de teleoperación, donde la comunicación del maestro hacia

el esclavo es en posición y fuerza, y la del esclavo hacia el maestro es

en fuerza, utilizando control ortogonal en ambos sistemas.

En el artículo se presenta el modelo general del sistema bilateral así

como el esquema de control utilizado para la teleoperación bilateral.

Posteriormente se plantea la validación del modelo, y finalmente se

presenta una simulación del sistema bilateral teleoperado cuyos

resultados obtenidos muestran la convergencia de los errores

en fuerza y posición tanto del robot esclavo como del maestro,

mostrando resultados con características de transparencia.

Modelo dinámico del sistema de teleoperación bilateralLos robots empleados como maestro y esclavo tienen la característica

de ser cinemáticamente similares. Son sistemas dinámicos Euler-

Lagrange cuyos eslabones son rígidos y todas sus articulaciones de

revoluta están actuadas. Lo que implica que sus respectivas matrices

jacobianas tienen la misma estructura, dimensión y parámetros. El

retardo que induce el canal de comunicación se toma como nulo. La

tarea se desarrolla en el espacio de trabajo del sistema bilateral, por

lo que está libre de singularidades en los robots.


Donde el subíndice en (1) denota al robot maestro y el subíndices

denota al robot esclavo. Específicamente son las coordenadas

generalizadas de cada robot. son las matrices

de inercia, de Coriolis y el jacobiano del robot respectivamente,

kkkkkkkkkkkkkkkkson los vectores de términos gravitacionales, de

par de control y de la fuerza que el operador induce al manipulador

maestro, donde es el número de grados de libertad del maestro.

Por otra parte, en la dinámica del esclavo representa la

fuerza de reacción aplicada por el robot esclavo al entrar en contacto

con la restricción u objeto, donde k es el número de grados de

libertad del esclavo, para este sistema n=k debido a que los robots

son similares.

En este trabajo se considera que el ambiente con el que interactúa el

esclavo es una restricción bien definida y rígida (plano virtual). Esto

nos conduce a que cuando el efector final del robot manipulador

esclavo está en contacto con una superficie infinitamente rígida o

indeformable [7], su modelo dinámico se puede representar como:

El modelo dinámico del maestro y esclavo con las características antes

mencionadas y descrito en coordenadas articulares está dado por:

( ) ( , ) ( ) (1)TmM q q C q q q g q J Fm m m m m m m m m hτ+ + = +&& & &Maestro:

Esclavo: (2)( ) ( , ) ( ) T FsM q q C q q q g q Js s s s s s s s s eτ+ + = −&& & &

n, )( qm sq

,( ), ( , ) Jm m m mn nM q C q qm m×∈& R r

m1g(q ), , Fm h

nτ ×∈R

n1F k

e×∈R

( ) ( , ) ( ) TM q q C q q q g q Js s s s s s s s sτ λϕ−+ + =&& & &

( ) 0qϕ λ= ⇒ ∈ �

(3)

(4)

donde es la magnitud de la fuerza de reflexión que siente el

robot esclavo al estar en contacto con el ambiente (también conocida

como multiplicador de Lagrange), y representa la ecuación

de la restricción holónoma, la cual modela el objeto o superficie de

interacción en este caso un plano.

La representación analítica de se obtiene al expresar la ecuación

del plano tangente en el punto de contacto en términos de las

variables articulares, esto se logra aplicando la cinemática directa del

manipulador y derivando esta expresión con respecto del tiempo.

El hecho de que (4) se iguale a cero implica que se están considerando

restricciones homogéneas [8] y que se mapea un vector sobre el

plano normal al plano tangente que se presenta en el punto de

contacto. Para que el sistema (3) y (4) tenga solución el efector final

del manipulador debe coincidir con la superficie del objeto.

Las ecuaciones (3) y (4) constituyen un sistema formado por

ecuaciones diferenciales de segundo orden y ecuaciones algebraicas

de índice 3, juntos forman un sistema de ecuaciones diferenciales

algebraicas (DAE). Este tipo de sistemas se puede resolver de diversas

maneras, una de ellas es la solución directa de las ecuaciones con

un algoritmo de integración específico para ese tipo de problemas,

que generalmente se basan en integradores numéricos estándar que

funcionan bien en sistemas de ecuaciones diferenciales ordinarias [9].

En este trabajo se utiliza el método de multiplicadores de Lagrange

donde se reduce el índice del sistema (índice 1) derivando las

ecuaciones de restricción [10]:

λ ∈ �

( ) 0qϕ = ∈ R

( )J qϕ

22λ ϕ ζωϕ ω ϕ•• ••

= + + (5)

Es así como el modelo basado en restricción holónoma (3, 4) se

resuelve y permite el diseño de leyes de control independientes para

los espacios en posición y fuerza.

Principio de Ortogonalización El principio de ortogonalización está basado en la propiedad física

que establece que cuando se imprime fuerza sobre una superficie

rígida (restricción o ambiente), y al mismo tiempo se desplaza sobre

ella, el vector de velocidad generalizado está contenido en el plano

tangente al punto de contacto, mientras la aplicación de la fuerza es

perpendicular a dicho plano. Para lograr esta propiedad, la restricción

es manipulada a fin de generar dos subespacios ortogonales. Estas

transformaciones se utilizan para hacer la proyección ortogonal del

vector articular sobre un espacio dimensional (plano tangente Q)

al vector , por un lado, y la proyección ortogonal de la fuerza

de contacto sobre el vector , por el otro. El plano tangente

puede ser representado en forma matricial por:

q•

( )J qϕ( )J qϕ

( ) ( ) ( )T n nQ q I J q J qn n ϕ ϕ×= − ∈× + R (6)

donde In×n es la matriz identidad y es la pseudoinversa del

jacobiano de la restricción, es decir:

( )TJ qϕ+

1( ) ( )T T TJ q J J Jϕϕ ϕ ϕ−=+ (7)

Mientras el manipulador se mueva sobre la superficie se cumple lo

siguiente:

( ) ( ) 0 ( ) ( ) 0T TQ q J q y Q q J qϕ ϕ= =+ (8)


( ) ( ) ( )]...

... [ ( ) ( )]

[ q q k q q ki q qd dv p dT k F f k F fdf d if

Q k

Jϕ

τ• •− + − + −∫

− + −∫

=

+(10)

y además

( ) 0 ( )J q q y Q q q qϕ

• • •= = (9)

La descomposición ortogonal genera dos espacios vectoriales, uno en

fuerza y otro en velocidad, lo que permite controlar simultáneamente

tanto la fuerza como la posición, es decir, hace independientes el

control de fuerza y el de posición, cada uno de estos puede a su vez

emplear otra técnica de control individual, por ejemplo control PD,

control no lineal PID con modos deslizantes [11], etc.

Ley de controlA continuación se presenta un esquema de control simultáneo de fuerza

y posición de un robot que interactúa con un ambiente, superficie o

restricción indeformable. Un esquema similar fue inicialmente planteado

en [11], [12] para tareas en movimiento libre. Después fue extendido

a tareas de contacto (utilizando el principio de ortogonalización) y

validado experimentalmente en [13] con un robot industrial de 6 gdl.

En este último caso, la superficie de contacto era totalmente conocida.

En el esquema utilizado para la tarea de teleoperación se asume que

se conoce con exactitud el ambiente remoto con el cual se interactúa,

y el controlador para dicha tarea es de fuerza/posición basados en

el principio de ortogonalización el cuál requiere del conocimiento

exacto de la función geométrica del ambiente a fin de que pueda ser

calculado el vector normal .

El control utilizado en espacio articular del sistema bilateral que

permite un control independiente para posición y fuerza es [14] [16]:

( )J qϕ

donde el subíndice d indica la variable deseada, kv, kp y ki las

ganancias derivativa, proporcional e integral respectivamente para el

controlador de posición y kf, kif las ganancias proporcional e integral

para el controlador de fuerza.

El controlador (10) permite permutar controladores dependiendo si

el robot esclavo o maestro está en movimiento libre o restringido.

Para el robot esclavo el término en (3) es igual a (10), si está en

movimiento libre se utiliza un controlador PID, si hace contacto con

la restricción se utiliza el controlador (10).

Para lograr alta transparencia en el sistema de teleoperación, se

deben compensar la gravedad, efectos de Coriolis y fuerza centrífuga

en los controladores.

Para el robot maestro, el par de control en (1) resulta ser:

sτ

mτ

donde

( , , ) Tq q q J fm v vτ ϕ• ••

=Θ − (11)

( , , ) ( , ) ( )q q q Mq C q q q g q• ••

Θ = + +&& & & (12)

Debido a que el robot esclavo le refleja la fuerza originada al tocar

el plano (Fe), el maestro detecta una restricción virtual la cuál debe

controlar en espacio restringido aplicando una fuerza (fv) que iguale la

detectada. Es por ese motivo que en (11) se utilizan también DAE’s,

donde es el jacobiano de la restricción virtual que percibe el

operador. En (1) es la fuerza ejercida por el operador al maestro,

la cuál se divide en dos espacios, uno en posición (trayectoria) y otro

en fuerza utilizando también el principio de ortogonalidad, donde:

TvJϕ

TmJ Fh

( ) ( ) ( )]...

[ ( ) ( )]

[

...

h q q k q q ki q qd dv p dT k F f k F fe vf e v if

F Q k

Jψ

• •− + − + −∫

− + −∫

=

+ (13)

El controlador está diseñado tal que cuando el efector final del esclavo

hace contacto con la superficie éste refleja la fuerza de reacción hacia

el maestro. Entonces el maestro reproduce la fuerza de reacción

mediante una restricción virtual, dicha fuerza debe ser compensada por

el operador aplicando una fuerza de la misma magnitud en dirección

opuesta, dando así la sensación de fuerza de reacción remota.

Por último, se aprecia que el tipo de modelado de los sistemas implica

la conmutación entre un modelo en espacio libre y otro en espacio

restringido, sin embargo pese a dicha conmutación, los sistemas

presentan un comportamiento suave.

La ventaja del controlador propuesto es que permite desacoplar

controladores en espacios diferentes, como fuerza y posición, algo

que no es posible con un control de impedancia. Lo que conduce a

mostrar la transparencia de un sistema bilateral.

SimulaciónSe simula el sistema de teleoperación bilateral compuesto por 2

robots similares de 2 grados de libertad (gdl), como se ve en la Fig.

3, uno como maestro y otro como esclavo y un plano virtual como

restricción, el cuál está paralelo al eje x a una distancia de 0.759m con

el cuál interacciona el esclavo.

Las dimensiones y masas de los eslabones tanto del maestro como del

esclavo están dadas por:

Maestro y Esclavo:

L1=.750m, m1=1kg

L2=.250m, m2=.333kg


-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Eje x (m)

Eje

y (m

)

Trayectoria 'xy' impuesta por el robot Maestro al robot Esclavo

MaestroEsclavo

Fig. 5 Seguimiento de trayectoria sobre un plano del sistema bilateral teleoperado.

Fig. 3 Robot 2gdl (Maestro y Esclavo)

La comunicación del robot maestro hacia el robot esclavo se da

en posición cartesiana, mientras que la del robot esclavo al robot

maestro se da por la reflexión de la fuerza percibida por el robot

esclavo al tocar el plano, misma que es retroalimentada al operador

quien la siente y trata de controlarla, ver Fig 4. La plataforma de

simulación está basada en Simulink de MatLab con un método de

integración tipo “Ode 15 Stiff” para sistemas DAE.

Fig. 4 Diagrama a bloques del Sistema de Teleoperación Bilateral.

La trayectoria impuesta por el maestro consta de movimiento libre

en la que el robot esclavo alcanza la misma posición del maestro

(desde hasta ), posteriormente el maestro impone

el seguimiento de una línea recta hasta que el robot esclavo alcanza

el plano (desde rocio hasta ), una vez que hace contacto

con el plano el movimiento está restringido, se traza una línea recta

sobre el plano y el esclavo siente la fuerza del ambiente suavemente

hasta 3N (desde hasta ), esa misma fuerza la

retroalimenta hacia el maestro y éste hacia el operador que la trata de

controlar cerrando el lazo del sistema bilateral y siguiendo la misma

trayectoria hasta llegar a un punto en el mismo plano (desde roci

hastaxxxxxx ), ver Fig.5 .

2 t s= 2 t s=

2 t s= 40 t s=

40 t s= 40 t s=

40 t s= 40 t s=

El robot maestro trata de seguir la trayectoria que le impone el

operador, en donde en el t=0s se tienen los máximos errores en ‘xy’ de

0.4888m y 0.5665m respectivamente, los cuales comienzan a converger

a cero llegando en t=5s como se muestra en las Figuras 6a y 6b. Así

mismo el robot esclavo trata de seguir la trayectoria impuesta por el

robot maestro teniendo errores de posición en “xy” que convergen a

cero, ver Figuras 6c y 6d.

0 2 4 6-0.5

0

0.5

a) Tiempo (seg)

Err

or

(m)

Errores en posición xy. Robot Maestro

10 20 30 40-0.01

0

0.01

b) Tiempo (seg)

Err

or

(m)

0 2 4 6-0.5

0

0.5

c) Tiempo (seg)

Err

or

(m)

Errores en posición xy. Robot Esclavo

10 20 30 40-0.01

0

0.01

0.02

d) Tiempo (seg)

Err

or

(m)

Error xError y

Error xError y

Error xError y

Error xError y

Fig. 6 Errores de posición del Sistema Bilateral Teleoperado.

El control de posición y fuerza propuesto se basa en el principio de

ortogonalidad, por lo que se descompone en posición y fuerza para

movimiento libre y restringido. En las figuras 7 y 8 se observan las

respuestas de los controladores de posición y fuerza para el robot

maestro y esclavo. En estas figuras se aprecia la conmutación de dichos

controladores, antes de el sistema se encuentra en movimiento libre

donde el operador impone una trayectoria al robot maestro la cuál

trata de seguir mediante un controlador PID. En el hace contacto

con la restricción, donde ésta vale cero, es decir el efector final del

robot esclavo entra contacto con la restricción. Es por eso que en ese

instante se presenta la conmutación del controlador (10), en donde

el robot esclavo trata de retroalimentar al robot maestro la fuerza

detectada al estar en contacto con la restricción, éste a su vez detecta

una restricción virtual la cuál debe ser controlada hasta . En

el tiempo restante debido a que se mantuvo el sistema en contacto

con la restricción, el controlador (10) sigue trabajando para mantener

la fuerza y posición alcanzadas.

0 5 10 15 20 25 30 35 40

-2

0

2

a) Tiempo (seg)

Pa

r (N

.m)

Control de posición y fuerza. Robot maestro

0 5 10 15 20 25 30 35 40-5

0

5

10

15

20

b) Tiempo (seg)

Pa

r (N

.m)

Par q1Par q2

Par q1Par q2

Fig. 7 Control de fuerza y posición del Robot Maestro.

40 t s=


0 5 10 15 20 25 30 35 40-10

0

10

a) Tiempo (seg)P

ar

(N.m

)

Control de posición y fuerza. Robot esclavo

0 5 10 15 20 25 30 35 40-20

0

20

40

b) Tiempo (seg)

Pa

r (N

.m)

Par q1Par q2

Par q1Par q2

Fig. 8 Control de fuerza y posición del Robot Esclavo.

40 t s=

40 t s=40 t s=

En la figura 9 se puede observar la fuerza aplicada por el robot

esclavo sobre el plano virtual. En este caso se propone como fuerza

deseada, una curva que empieza en 0 N en y llega a 3 N

en , de manera suave por medio de un polinomio de tercer

grado, cuando llega a 3N se mantiene hasta . Cuando el

robot se acerca a la restricción se genera un efecto de rebote que

se interpreta como una fuerza negativa. En el caso del maestro, este

cerrará el lazo de teleoperación tratando de igualar la fuerza que le

retroalimenta el esclavo para mantenerse sobre el plano, sintiendo una

restricción virtual.

0 5 10 15 20 25 30 35 40-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Tiempo (seg)

Fuer

za (N

)

Fuerza en el Sistema Bilateral teleoperado.

Fuerza Maestro

Fuerza Esclavo

Fig. 9 Fuerza reflejada por el esclavo, alcanzada por el maestro [N].

El error en fuerza tanto del robot esclavo al estar en contacto con la

restricción, como el error de fuerza del maestro al retroalimentarle

dicha fuerza mediante el robot esclavo tratan de converger a cero,

como se aprecia en la Fig. 10. El robot maestro le retroalimenta dicha

fuerza también al operador para que la perciba y la pueda controlar.

0 5 10 15 20 25 30 35 40-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Tiempo (seg)

Fue

rza

(N)

Fuerza en el Sistema Bilateral teleoperado.

Fuerza Maestro

Fuerza Esclavo

Fig. 10 Error en fuerzas del sistema bilateral.

ConclusionesEn éste trabajo se mostró el seguimiento y convergencia simultánea de

los errores de fuerza y posición del sistema de teleoperación bilateral.

Se puede observar que el diseño del controlador permite que el efector

final del esclavo refleje la fuerza de reacción hacia el maestro cuando

se encuentra en contacto con la restricción. Entonces el maestro

reproduce la fuerza de reacción mediante una restricción virtual, dicha

fuerza es compensada por el operador permitiendo el lazo cerrado del

sistema bilateral. Los resultados muestran que el operador aplica una

fuerza de la misma magnitud pero en dirección opuesta.

Por último se aprecia que el tipo de modelado de los sistemas implica

la conmutación entre un modelo en espacio libre y otro en espacio

restringido, sin embargo pese a dicha conmutación los sistemas

presentan un comportamiento suave.

Se han realizado simulaciones para robots no similares, dichos

resultados han sido exitosos por lo que se está trabajando en la

plataforma experimental para la cuál se cuenta con dos robots, cuyos

diseños y construcción se detallan en [15] y [16].

Agradecimientos A la Universidad Politécnica del Valle de México.Referencias[1] Sheridan, T. B. (1993). “Space teleoperation through time delay: Review and

prognosis”. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 9(5), 592–606.[2] Peter F. Hokayem, Mark W. Spong. “Bilateral teleoperation: An Historical survey”,

ELSEVIER Automática 42 2006 (pp 2035-2057). [3] H. Lee, “Adaptive controller of a Master-Slave System for Transparent

Teleoperation”, J. Robot. Sys., Vol. 15, pp. 465-475, 1998.[4] Melchiorri C., “Robotics Telemanipulation: General Aspects and Control Aspects”,

DEIS-LAR, Universita di Bolgna. Via Risorgimento 2, 40136 Bologna (pp. 1-139)[5] Arimoto, S., Liu, Y. H., and Naniwa, T., 1993, “Model-based adaptive hybrid control

for geometrically constrained robots”. Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Atlanta, Georgia U.S.A. (pp. 618-623).

[6] N. Hogan, “Impedance control: An approach to manipulation: Part III-Aplications” ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 107, No. 1 (pp. 17-24), 1985.

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[10] J. Baumgarte (1972). “Stabilization of constraints and integrals of motion in dynamical systems”. Comp. Meth. in Appl. Mech. and Eng. 1: 1–16.

[11] V. Parra Vega, L. G. Garcia Valdovinos, A. Castillo-Tapia, O. Dominguez Ramirez, “Sliding PID for Tracking in Finite Time for Robot Arms”, Proc. of the 11th Int. Conf. on Advanced Robotics (ICAR’03), pp. 1526-1531, Coimbra, Portugal, 2003.

[12] V. Parra-Vega, S. Arimoto, Y.H. Liu, G. Hirzinger & P. Akella, “Dyamic Sliding PID Control for Tracking of Robot Manipulators: Theory and Experiments”, IEEE Trans. on Robotics and Automation, Vol. 19, No. 6, pp. 967-976, 2003

[13] Castillo Tapia A., “Control Simultáneo de Fuerza y Posición de un Robot Industrial”, Tesis de Maestría, Depto. Ingeniería Eléctrica, Sección Mecatrónica, CINVESTAV-IPN, México D.F., Feb. 2002

[14] García Valdominos L. G., “Teleoperadores bilaterales no lineales de impedancia convergente con ambiente semiestructurado”, Tesis de Maestría, Depto. Ingeniería Eléctrica, Sección Mecatrónica, CINVESTAV-IPN, México D.F., Sep. 2006.

[15] David Muro M., Alejandro Rodríguez A., Carlos Cruz V., “Diseño, modelado y construcción de un manipulador redundante”, CIINDET, Cuernavaca Morelos, 2007.

[16] Rolando Cortés, Alejandro Rodríguez A., “Desarrollo y control de un sistema de teleoperación maestro esclavo no similar”, CIINDET, Cuernavaca Morelos, 2007.


ResumenLa aleación fue producida por fundición y enfriada en aire quieto a

temperatura ambiente, la microestructura dendrítica fue analizada

en un trabajo anterior[1]. Se obtuvieron veintiocho muestras de la

aleación que fueron sometidas a un tratamiento de homogenización

en el que se analizó la modificación de la microestructura[2], en

el presente trabajo, muestras de la aleación se sometieron a

envejecimiento a 290 ºC observando la generación de precipitados

de la aleación e identificando la fase ε por difractometría de rayos X.

IntroducciónLa descomposición espinodal de la fase de alta temperatura, la fase

β. Es la que genera la estructura de dos fases llamada tipo perlita,

por medio de una reacción eutectoide, como se manifiesta en los

estudios realizados por Chao et al.[3], la fase inestable a temperatura

ambiente se descompone en α y η:

β → α + η

Cambios microestructurales de laaleación Zn - 22% pAl - 2% Cu producidos por envejecimiento a 290 oC*

Figura 1: Diagrama de fases Zn – 22 % p Al – 2 % p Cu, sección vertical

cerca de donde se localiza el compuesto estequiométrico CuZn5. El

cobre agregado a la aleación en cantidades superiores al 2% genera

compuestos intermetálicos [3, 4], como la fase ξ, CuZn5, o CuZn4 y

la fase τ, Al4-Cu3-Zn. También tiene efectos en la microestructura

dendrítica y tipo perlita. Con los estudios realizados por diversos

investigadores se puede hacer un resumen de las fases que pudieran

presentarse, tabla 1.

*Saúl Rangel LaraIngeniería Industrial, Ciencia de Materiales y ProcesosUniversidad Politécnica del Valle de Mé[email protected]

*José L. Bernal PonceIngeniería Industrial, Ciencia de Materiales y ProcesosUniversidad Politécnica del Valle de Mé[email protected]

*Antonio de Ita de la TorreÁrea de Ciencias Materiales, Universidad Autónoma Metropolitana, [email protected]

Tabla 1: Fases presentes en las aleaciones Zn - 22 % p Al y Zn - 22 % p Al - 2 % Cu

También en el diagrama de fases ternario se indica la existencia

de otra fase cuya fórmula química es Al2Cu. Se aprecia en la tabla

anterior que todos los precipitados tienen cierto contenido de

cobre, a excepción de las fases α y η, se considera que en estas

fases el cobre está en disolución y sin formar intermetálicos. En las

reacciones presentadas por Chao et al. [5], se puede ver que la fase β

es inestable a temperatura ambiente, después del templado, ésta se

descompone en α y η, por otro lado señala que la fase ε es estable

alrededor de los 268 °C, y puede ser reemplazada por la fase estable

T’ durante el envejecimiento.

En el corte vertical del diagrama de fases ternario[4], figura 1, se observa que la aleación del presente experimento, cuya composición es Zn – 22 % p Al – 2 % p Cu, se encuentra muy

ε + β → α + η a276oC

ε + α → T’ + η a268oC

1. Desarrollo experimentalSe cortaron muestras transversales de cinco milímetros de espesor

a partir de los lingotes de fundición, se identificaron las muestras de

aleación ternaria con la letra B. Posteriormente se pulieron las caras

de las muestras con lijas de grano 80, hasta el 2000 y finalmente con

alúmina de 1 y 0.3 micras. Para revelar la estructura de la superficie

se utilizó un ataque químico con una solución de alcohol etílico (18

ml), ácido fluorhídrico (1 ml pureza 48 – 61 %) y ácido clorhídrico

(1 ml calidad industrial), durante cuatro segundos. La fotografía se

realizó en un microscopio óptico Olympus, se practicó el análisis

de rayos X en un difractómetro marca Siemens modelo D 500 con

tubo de rayos X de cobre, Como también se tomaron fotografías

en el microscopio electrónico de barrido ambiental, marca Phillips,


modelo XL 30 ESEM, con ventana de Berilio y detector de Silicio –

Litio, para realizar análisis de la microestructura, tanto como de la

composición de ésta, por medio del método de espectroscopia de

dispersión de energía (EDX).

2.ResultadosLa aleación debe comportarse como un material de solución

sólida sobresaturada a alta temperatura, inestable, la cual tenderá

a precipitar el exceso de soluto o de fase conforme se reduce la

temperatura. Los precipitados deben asumir microestructuras de

transición metaestable, con respecto a las estructuras de equilibrio.

Se pretende que el endurecimiento por envejecimiento produzca

una dispersión uniforme de un precipitado coherente, fino y duro

en una matriz blanda y dúctil.

Se efectuó el análisis de difracción de rayos X buscando las fases

Al4Cu3Zn, Al2Cu, CuZn4, CuZn5, confirmando la presencia de la fase

CuZn5, en las muestras B 18 a B 27, tratadas a la temperatura de

envejecimiento de 390 ºC.

Figura 2: Microestructura de la muestra B 7, 20 horas de envejecimiento a 290 °C, Zn – 22 % p Al – 2 % Cu, obtenida por microscopía óptica, MO.

La figura 2 muestra que la microestructura es de tipo laminar, como

en el caso anterior se encontraron pocas zonas donde la citada

microestructura no se formó, también se detectaron aquellas zonas

con alto contenido de cobre, que se forman a lo largo del periodo

de envejecimiento.


Zona de probable alto contenido de cobre

Se observa, por ejemplo la figura 3, muestra B 16 que corresponde

a sesenta horas de envejecimiento, que presenta únicamente

estructura laminar bien definida, aunque de mayor distancia

interlaminar que la mostrada en la figura 2, con una zona donde

posiblemente existe un alto contenido de cobre.


Después de sesenta y cinco horas de envejecimiento la

microestructura se observa con mayor facilidad y definición, tal es

el caso de la figura 4 correspondiente a la muestra B 17, donde se

observa que la distancia interlaminar aumenta en la mayor parte

del área cubierta por la microestructura, la distancia interlaminar ha

llegado a dos micras y, en algunas pequeñas zonas se reduce a menos

de media micra.

Figura 5: Microestructura de la muestra B 7, 20 horas de envejecimiento a 290 °C, BSE, Zn – 22 % p Al – 2 % Cu.

En la figura 5, obtenida por medio de electrones retrodispersados

se revela la presencia de posibles precipitados en una zona de alto

contenido de zinc, por otra parte, se observa en color oscuro la

presencia de una amplia porosidad, que no parece interferir en los

estudios realizados.


Por otra parte, se puede indicar que el análisis por difracción de

rayos X para la muestra B 22, se realizó dos veces, la segunda

girando la probeta noventa grados, para verificar que se presentaran

variaciones en las alturas de los picos. Lo que demuestra la no

existencia de textura en la muestra. En ambos casos se detecta la

presencia de las fases ε, η y α.

Conclusiones1. Después de la homogeneización en la aleación Zn – 22 % p Al – 2

% p Cu se encontraron precipitados de los tres metales en las

fronteras de grano, con una composición cercana a la fase CuZn5.

2. Los precipitados están rodeados por una fase con la misma

composición que la microestructura perlitica.

3. Después de un periodo de 65 horas de envejecimiento a 290 °C,

el precipitado se disuelve y la concentración de cobre aumenta en

esa zona.

4. La cantidad de perlita de 2 micras crece, mientras que la cantidad

de perlita de 0.5 micras se reduce.

Bibliografía1. Saúl Rangel, A. de Ita de la Torre, Leonardo R. Macias, “Elaboración de la aleación Zn – 22% p Al y

análisis de la microestructura generada cuando solidifica”, Innovación tecnológica UPVM, No. 1.2. José Luis Bernal, Saúl Rangel, “Análisis metalográfico y térmico diferencial en una aleación Zn – Al”,

Superficies y Vacio 23(S)1-3, agosto 2010.3. B. J. Li, C. G. Chao, Metallurgical and Materials Transactions 30A, 917(1999). 4. P. Villars, A. Prince, H. Okamoto, Al - Cu - Zn phase diagrams, Handbook of Ternary Alloy Phase

Diagrams v. 3 (ASM 1995), p 3424.5. B. J. LI, C. G. CHAO, “Phase transformation of Zn – 4 Al – 3 Cu Alloy during Heat treatment“,

Metallurgical and Materials Transactions 30 A, April 1999, p 917 - 923.


Precipitado 78.9% pZn 8.0% pAl 11.7% p Cu 1.5% p O

A mayor amplificación, figura 6, se observa que la fase del

precipitado parece estar rodeada por una microestructura diferente

a la laminar, semejante al caso anterior, también se observan dos

microestructuras de tipo laminar de distinta dimensión interlaminar,

de media micra y de dos.

La perlita crece hasta 2 micras.


La figura 7, muestra un área que contiene características de

microestructura laminar, sin embargo, en el área de alto contenido

de cobre no se observa bien definida alguna fase que pueda ser

señalada como precipitado, como en el caso de la figura 6, el largo

periodo de envejecimiento pudo haberlo disuelto.

Difractometría de rayos X

Figura 7: Sección del difractograma de la muestra B 18, 10 horas de envejecimiento, muestra los picos de dos planos de la fase ε, Zn – 22 % p Al – 2 % Cu.

Los difractogramas de las figuras 7 y 8 indican la presencia de la fase

ξ En relación al efecto del envejecimiento se puede agregar que se

forma con rapidez en las primeras horas, pero aumenta lentamente

después. Midiendo la altura relativa de los picos se calculó que

aproximadamente hay menos del 5 % de fase ε a 10 horas.

Figura 8: Sección del difractograma de la muestra B 27, 210 horas de envejecimiento, se identifican dos planos de la fase ε, Zn – 22 % p Al – 2 % Cu. Las alturas de los picos no están en la misma escala.


Análisis exergético del ciclo de refrigeración por compresión de vapor utilizando CO2*

ResumenEn este trabajo se presenta un análisis exergético a un ciclo de

refrigeración por compresión de vapor que utiliza como fluido

de trabajo el CO2 y que opera a régimen supercrítico, variando la

presión y temperatura a la salida del condensador. Encontrando que

para una tonelada de refrigeración, y una temperatura de entrada en

el evaporador de -10ºC, se tiene que la mejor eficiencia exergética

se obtiene cuando las condiciones a la salida del condensador son de

90 bares y 35ºC. Así mismo, también se presenta un análisis de las

irreversibilidades en el ciclo de refrigeración, obteniendo que en el

proceso de estrangulación se pierde aproximadamente una cuarta

parte de la exergía suministrada por el compresor.

IntroducciónEs interesante observar como una industria, que nació hace poco más

de un siglo, con la única finalidad de enfriar, a logrado llegar a ser la

auxiliar de tantas otras industrias y comercios transformando la vida

social de millones de seres, hasta el punto que se puede hablar con

sentido propio de la conquista del frío.

La refrigeración por compresión mecánica de vapor ha sido

fundamental para el desarrollo de la humanidad. Los inicios se pueden

ubicar en 1834 [3], cuando el ingles Jacob Perkins obtuvo la patente

de la primera máquina que fabricaba hielo. En los años de 1890 se

fabricaron máquinas pequeñas para la fabricación de hielo accionadas

por motores eléctricos y con control automático, tomando así el

predominio del mercado de estos equipos. A partir de 1930, los

sistemas de refrigeración por compresión mecánica de vapor se

volvieron eficientes, pequeños y económicos. En la segunda mitad del

siglo XX, el desarrollo de la refrigeración fue tan importante, que a la

fecha se encuentra presente en todas las actividades humanas, desde

las productivas, las de servicio, de salud, hasta de bienestar personal.

Este desarrollo en los sistemas de refrigeración es aprovechado en

múltiples áreas del ámbito industrial, teniendo una de las principales

aplicaciones en los sistemas de aire acondicionado, que establece un

ambiente de confortabilidad para el ser humano en lugares de trabajo,

transporte, diversión, etc.

Los pioneros de la industria frigorífica se basaron en la compresión

mecánica para obtener la producción del frío, pero ante el peligro

que presentaba el fluido entonces utilizado, éter, cambiándolo

por amoniaco hasta que a finales de los años 60s se utilizo los

clorofluorocarbonados.

Los sistemas de refrigeración por compresión de vapor son los más

utilizados en la industria frigorífica, tales como licuefacción de gas

natural, obtención de hielo, industrias farmacéuticas, refresqueras,

aire acondicionado automotriz, etc. Estos sistemas han operado con

refrigerantes clorofluorocarbonados como fluidos de trabajo, como

son los freones 12 y 22, el problema de este tipo de refrigerantes es la

contaminación que ejercen sobre el medio ambiente, principalmente la

destrucción de la capa de ozono y el calentamiento global de la tierra.

De acuerdo a los protocolos de Tokio y Montreal, se estableció

sustituir este tipo de refrigerantes por fluorocarbonados, que continúan

contribuyendo al deterioro del medio ambiente pero en menor grado.

Para los sistemas de aire acondicionado automotriz las investigaciones

sobre la utilización del fluido de trabajo enfriador, es enfocado a usar

el bióxido de carbono como refrigerante, impulsando la sustentabilidad

y desarrollo tecnológico a estos sistemas de refrigeración con CO2.[4]

*Martín Salazar P.División de Ingenieria Mecatrónica e IndustrialTecnológico de Estudios Superiores de [email protected]

*Raúl Lugo L.Departamento de Ingeniería de Procesos e HidráulicaUniversidad Autónoma Metropolitana [email protected]

*Alejandro Torres A.Departamento de Ingeniería de Procesos e HidráulicaUniversidad Autónoma Metropolitana [email protected]

*Rogelio Francisco A.Divisón de Ingeniería Mecánica ElectrónicaUniversidad Politécnica del Valle de Mé[email protected]


El refrigerante: R-744 como se conoce comercialmente al bióxido de

carbono, CO2, es un refrigerante natural, que no presenta toxicidad

e inflamabilidad, es barato, se encuentra ampliamente, su potencial

de calentamiento global es muy bajo, sin embargo, el impacto al

calentamiento global neto, cuando se utiliza como gas técnico es cero;

puesto que el CO2 es un gas de desecho de la producción industrial.

Además, cuenta con propiedades termodinámicas ventajosas, tales

como, un calor específico del líquido alto. [3]

Las limitaciones de todo sistema energético se encuentran

determinadas por las condiciones de diseño y ambientales. En los

sistemas de refrigeración las condiciones ambientales juegan un papel

muy importante ya que determinan el funcionamiento del sistema

de enfriamiento del fluido de trabajo, es decir de las condiciones de

operación del condensador. El problema de realizar el enfriamiento

en un ciclo de refrigeración que utiliza el CO2, es que su presión y

temperatura crítica es de 73.773 bar y 31 oC respectivamente.

Para temperaturas ambientales no mayores a 25ºC, en el condensador,

el rango de presiones de operación esta entre 70 y 110 bars, lo que

lleva a operar a condiciones supercríticas, esto se debe a la diferencia

de temperaturas que existe entre el medio ambiente y la temperatura

de condensación, que mínimo debe de ser de 10 a 15ºC, para que

exista una buena transferencia de calor.

El análisis exergético aplicado a los ciclos de refrigeración ha sido

desarrollado por Kotas, aplicándolo a ejemplos ilustrativos [1]. Recept

Yumrutas, también aplica esta metodología al ciclo de refrigeración por

compresión de vapor, utilizando como fluido de trabajo el amoniaco,

cuantificando las pérdidas de exergía, reportando, que las pérdidas de

temperatura y presión en los intercambiadores de calor incrementan

las pérdidas de exergía, además de reportar una eficiencia exergética

de 0.4, para temperaturas de operación de -10ºC en el evaporador y

de 30ºC en el condensador. [2]

En este trabajo se realiza un estudio exergético aplicando la

metodología desarrollada por Kotas, al ciclo de refrigeración por

compresión de vapor con una sola etapa de compresión utilizando

CO2 a condiciones supercriticas ya que se considera una temperatura

ambiente de 25ºC, variando la presión y temperatura de condensación,

cuantificando las perdidas de exergía.

Sistema de refrigeración por compresión de vaporEn las Figs. 1. (a), (b) y (c) se muestra el ciclo de refrigeración por

compresión de vapor con una sola etapa de compresión. La realización

del análisis termodinámico al ciclo de refrigeración se realiza para

condiciones de operación supercríticas, es decir, la presión y

temperatura de condensación son mayores a las condiciones críticas.

1

2 3

4

evaporador

Cámara de refrigeración

wC

condensador

5 6

(a)

(b)

(c)

Fig. 1. (a) Ciclo de refrigeración por compresión de vapor con una sola etapa, (b) Diagrama presión – entalpía a condiciones supericríticas y (c) Diagrama presión –entalpía a condiciones subcríticas.


El cálculo de los estados termodinámicos se realiza de la misma forma

como si se operara a condiciones subcríticas a excepción del estado

tres. En este estado la temperatura debe ser mayor a la ambiental de

10 a 15 ºC, entonces, como las propiedades termodinámicas están en

la región crítica se debe de iterar entre las presiones, manteniendo

constante la T3, y evaluando el COP, con la finalidad de encontrar

la presión de condensación a la cual se tiene el COP optimo, para la

temperatura requerida a la salida del condensador. Este procedimiento

se realiza a través de un método iterativo, ejecutado por un programa

de cómputo con plataforma Visual Basic 6.0.

Los balances energéticos se realizan aplicando la primera ley de la

termodinámica a cada uno de los equipos. En la Tabla 1 se muestran

los balances de energía realizados al ciclo de refrigeración por

compresión de vapor.

Tabla 1. Balances de energía del ciclo de refrigeración por compresión de vapor.

El balance exergético se realiza aplicando la expresión general del balance

de exergía, que contabiliza las transferencias de exergía que acompañan

a los flujos de masa y trabajos de flujo en las entradas y salidas.

El análisis del sistema de refrigeración se realiza considerando al sistema

en estado estacionario y que no se tiene cambio de volumen. Los

balances de exergía se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2. Balances de exergía del ciclo de refrigeración por compresión de vapor.

En este análisis, el estado de referencia del CO2 se considera a la presión

de 50.68 bar y a 15 °C de temperatura, los valores correspondientes

para el estado de referencia son, h0=416.85 kJ/kg, s0=1.7501 kJ/kg K y

v0=0.00625 m3/kg.

Análisis exergético al ciclo de refrigeraciónEl análisis exergético al ciclo de refrigeración por compresión de vapor

se realiza a régimen supercrítico considerando una temperatura en el

evaporador de -10 °C, potencia frigorífica 1 TR y la eficiencia isentrópica

del compresor de 0.88.

En la Fig. 2 se muestra el diagrama exergía – entalpía para el ciclo de

refrigeración. En esta figura se presenta los estados de exergía y entalpía

del ciclo, donde se observa que el mayor contenido de exergía se tiene

en el estado 2, y el menor contenido de exergía se tiene en los estados

de entrada y salida del evaporador. El proceso de expansión, donde

se tiene la menor diferencia de exergía es el 3’ a 4’ que corresponde a

una presión condensación de 90 bar. Adicionalmente se observa en la

figura la variación en el efecto refrigerante y de trabajo suministrado al

compresor, cuando se varían las presiones de condensación. Al evaluar


Fig. 2. Exergía –entalpía para el ciclo de refrigeración por compresión de vapor para diferentes presiones en el condensador.

Fig. 3. Exergía –entalpía para el ciclo de refrigeración por compresión de vapor para una T3 = 35ºC y T3 = 40ºC.

los estados termodinámicos en las ecuaciones de la Tabla 1, se obtiene

que el máximo COP para las condiciones establecidas, se tiene para la

presión de 90 bares en el condensador.

Fig. 4. Eficiencia exergética a diferentes presiones de condensación.

En la Fig. 3 se muestra el ciclo de refrigeración para temperaturas a la

salida del condensador de 35 y 40ºC, a una presión de 90 bares, donde

se muestra que el estado 3 a 40ºC se tiene una mayor cantidad de

exergía pero al estrangularla para obtener el estado 4 se pierde una

gran cantidad de la misma, de la misma forma que se reduce el efecto

refrigerante, por lo tanto, al incrementar 5 ºC la temperatura en el

condensador, no se obtiene un incremento en la eficiencia exergética

como se muestra en la Fig. 4.

En la Fig. 4 se muestra la eficiencia exergética a diferentes presiones

de condensación para temperaturas a la salida del condensador de

30 y 40ºC. Para T3=35ºC, la eficiencia exergética alcanza su máximo

valor a 90 bares, mientras que para T3=40ºC, el valor máximo se

alcanza a 100 bares.

Fig. 5. Diagrama de Grassmann para el ciclo de refrigeración a p3 = 90 bar y T3=35°C.

En la Fig. 5 se muestra el diagrama de Grassmann las pérdidas de

exergía en el ciclo de refrigeración a p3 = 90 bar y T3=35°C. Las mayores

pérdidas de exergía se ocasionan en el compresor -motor eléctrico,

32.5%; y debido a las condiciones supercríticas de operación se tiene

que el condensador tiene el 27.6% de exergía pérdida, y en tercer lugar

se tiene la válvula de estrangulación con el 23.52%, a consecuencia de

la estrangulación de una alta presión, 90 bares a 26.37 bares, lo que

ocasiona un gran pérdida. En el evaporador no se tienen pérdidas, a

causa de la baja cantidad de exergía a la cual opera el evaporador, dando

como resultado que solamente el 16.347% de la exergía suministrada

por el compresor es aprovechada en la cámara frigorífica.

Fig. 6. Diagrama de Grassmann para el ciclo de refrigeración a p3 = 100 bar y T3=40°C.


Fig. 7. Irreversibilidad en el compresor - motor eléctrico a diferentes presiones de condensación para una T3=35ºC.

Para el ciclo de refrigeración a T3=40°C, cuando se varían las presiones

de condensación, la mejor eficiencia exergética se obtiene a p3 = 100

bar. En la Fig. 6 se muestran las pérdidas de exergía de este ciclo. El

comportamiento de las pérdidas es similar al ciclo de la Fig. 5, pero

el incremento de 5ºC en la temperatura de salida del condensador

incrementa 2% las pérdidas de exergía en la expansión del CO2 en

la válvula de estrangulamiento, lo que ocasiona en gran parte la

disminución de la eficiencia exergética hasta el valor de 13.347%.

Fig. 8. Irreversibilidad en el compresor - motor eléctrico a diferentes presiones de condensación para una T3=40ºC.

En las Fig. 7 y 8 se muestran las pérdidas de exergía cuando se varían

las condiciones de operación en el condensador. La tendencia de las

pérdidas de exergía en el compresor - motor eléctrico, es similar para

ambas temperaturas, la diferencia, es que al incrementar 5ºC la T3,

la potencia eléctrica suministrada al compresor se incrementa, por

ejemplo para la presión de 90 bar, este incremento representa el 40%,

aunque los porcentajes de las pérdidas varían 1%.

Fig. 9. Irreversibilidad en el ciclo de refrigeración a diferentes presiones de condensación para una T3=35ºC.

En la Fig. 9 se muestran las pérdidas de exergía en el ciclo de

refrigeración a diferentes presiones de condensación para una T3=

35ºC. Para presiones en el condensador menores a 80 bares en la

región supercrítica, las mayores pérdidas de exergía se ocasionan en

la válvula, debida a que se tiene en este proceso una gran diferencia de

exergía que se pierde en la estrangulación. Al seguir incrementando

la p3, se tiene que las mayores pérdidas se localizan en el compresor

– motor eléctrico, aunque las irreversibilidades en el condensador

se incrementan en mayor porcentaje. A p3=105 bares, las mayores

pérdidas se encuentran en el condensador, ocasionado por la gran

cantidad de exergía que se pierde al enfriar el CO2.

Fig. 10. Irreversibilidad en el ciclo de refrigeración a diferentes presiones de condensación para una T3=40ºC.

Para las condiciones de operación en el condensador de T3=40 ºC,

para presiones de condensación inferiores a 90 bares en la región

supercrítica, la mayor irreversibilidad se tienen en el compresor –

motor eléctrico. A partir de 90 bares, al incrementarla, las pérdidas

de exergía en los equipos del ciclo de refrigeración resultan casi de las

mismas dimensiones, aunque las mayores irreversibilidades suceden en

la válvula de estrangulación.


NomenclaturaCOP coeficiente de operación; [-],h entalpía específica; [kJ/kg], I irreversibilidad; [kW],meva flujo másico; [kg/s],p presión; [bar],PELE potencia eléctrica; [kW],qo efecto refrigerante; [kJ/kg],Q0 carga térmica; [kW],s entropía específica; [kJ/kg K],T temperatura; [oC],v volumen específico; [m3/kg],w trabajo; [kJ/kg],

Letras griegasε exergía especifica: [kJ/kg],η SIC eficiencia isoentrópica del compresor; [-],η ELE eficiencia eléctrica; [-].η EXE eficiencia exergética; [-].η ME eficiencia mecánica; [-].

Subíndices0 referencia,C-ME compresor motor eléctrico,Cond condensador,Eva evaporador.f fricción del pistón y cilindro,m-elec electromecánicasVAL válvula

ConclusionesEl ciclo de refrigeración por compresión de vapor con una sola etapa

de compresión utilizando CO2 y operando a régimen supercrítico,

muestra un comportamiento diferente a los ciclos que trabajan en

régimen subcrítico, ya que las altas presiones a la cual se debe trabajar en

el condensador ocasionan altas pérdidas en la válvula de estrangulación,

lo que ocasiona una disminución en la eficiencia exergética del ciclo.

Así mismo, las altas pérdidas de exergía, ocasionadas en el compresor

– motor eléctrico y condensador, resultan ser muy altas comparadas

con los ciclos que operan con fluidos de trabajo como por ejemplo,

el HF-134a entre otros, debido a las características del fluido, ya que

con el CO2 se tiene que trabajar a condiciones supercríticas, por lo

tanto, las eficiencias exergéticas resultan ser inferiores a la de los ciclos

de refrigeración que operan con fluidos convencionales a las mismas

condiciones de operación.

Referencias[1] T.J kotas. The exergy Method of Termal Plant Anylisis. Ed Butterworths. 1985.

[2] Recep Yumruta, Mehmet Kunduz, Mehmet Kanoglu. 2 (2002) 266–272. Exergy analysis of vapor compression refrigeration systems. Exergy, an International Journal. 2002 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS.

[3] Clodic D., Chang Y.S., Pougin A.M. Evaluation des fluides frigorigènes à faible GWP pour le froid domestique et commercial, les transports réfrigérés et la climatisation automobile. Mai, 1999.

[4] United Nations Environment Programme. Protecting the Ozone Layer. 2001.

[5] Vetter F.1, Memory S.2. Automotive AC/HP Systems Using R744 (CO2). European Central Research Modine Europe GmbH, Dept. ENT. 2 Research & Development Modine Manufacturing Co. Filderstadt, Stuttgart, Alemania. Racine, Wisconsin, E.U. 2001.

[6] National Institute Standards and Technology. Thermophysical Properties of Fluid Systems. Standard Reference Database Number 69. Estados Unidos. Marzo, 2003.

[7] Evaluation of the Performance Potential of CO2 as a Refrigerant in Air-To-Air Air Conditioners and Heat Pumps: System Modeling and Analysis. Air-Conditioning and Refrigeration Technology Institute. Arlington, Virginia, E.U. Diciembre 2003.


Contruyendo un SistemaEstatal de Innovación

Historia de una alianza entre el COMECyT y el BID

Era noviembre del año 2008. En una de tantas reuniones fuera del Estado

de México, e inmerso en debates con colegas del país, el doctor Elías

Micha, director general del COMECyT, se propuso crear un Sistema

Estatal de Innovación, lo cual parecía muy ambicioso pero viable, pues

incluso existen instancias internacionales que apoyan este tipo de causas,

por ejemplo el Banco Interamericano de Desarrollo (BID).

El BID lazó una convocatoria y más de un gobierno se interesó; sin

embargo, poco a poco se fueron quedando en el camino; no fue el

caso del COMECyT que siguió firme en el proceso.

El gran día llegó y en diciembre de 2010, ambos organismos firmaron

el acuerdo de colaboración que involucra dos millones de dólares,

aportados entre el BID, COMECyT y CONACyT. Así, el Estado de

México se convirtió en la primera entidad de la República Mexicana en

participar en una iniciativa de este tipo, y en uno de los cuatro países

latinoamericanos involucrados en este programa piloto, además de Chile,

Colombia y Brasil. Se espera que esta experiencia se pueda replicar en

otras partes del país y en diversas entidades de América Latina.

Perfil del Edomex

Si te ha surgido la duda de qué llevó al BID a otorgar un proyecto de

este tipo al COMECyT, quizás venga acompañada de otra pregunta:

¿qué beneficios traerá para el estado? La respuesta es compleja

pero muy convincente. Empecemos por las razones del organismo

internacional.

Según un estudio preliminar efectuado por el BID, las empresas

mexicanas y en particular las PyMES “exhiben hoy un alarmante

nivel de estancamiento en su productividad y competitividad, en

gran parte debido a la baja capacidad que poseen para introducir y

gestionar actividades innovadoras”. También se ofrecen datos como

los presentados en la página siguiente.

Inversión para crear el Sistema Estatal de Innovación (dólares)

BID

COMECyT

CONACyT

TOTAL

920 045.00

917 960.00

134 995.00

1 973 000.00

Extraído de la Revista Órbita Año lll Núm. 10Octubre-diciembre 2010.Boletín informativo COMECyT.


Aunado a estas cifras, el BID concluyó que desde finales de los años

90 “las políticas de ciencia y tecnología se han concentrado, en gran

medida, en la investigación científica pública, y sólo en los últimos años

han comenzado a poner mayor énfasis en el desarrollo tecnológico

de las empresas y en la investigación aplicada”.

También, con información de la OCDE (2008) sobre las políticas

de innovación en México, señala que uno de los problemas más

frecuentes de los programas de apoyo a la innovación en México

reside en la dificultad que tienen las firmas regionales, particularmente

las PyMES, en acceder a los beneficios derivados de los programas.

Por último, se menciona que “aunque se han logrado avances

significativos en el fomento de la innovación entre las grandes

empresas mexicanas, promoviendo su interacción con instituciones

académicas y centros de investigación, esta dinámica no se ha

conseguido reproducir a nivel de las PyMES presentes en los estados

de la federación y en el Estado de México”.

A COMECyT, le sobran motivos…En el discurso que el doctor Elías Micha dictó con motivo de la firma

del acuerdo con el BID, afirmó que el proyecto de Sistemas Estatales

de Innovación permitirá dar pasos importantes para transitar hacia la

sociedad del conocimiento.

Al respecto, el Lic. Enrique Peña Nieto presentó las conclusiones

de los Foros de Reflexión del Bicentenario y estableció como uno

de los cinco puntos de la agenda política el tránsito a la sociedad

del conocimiento. Señaló con precisión algunos elementos clave

para lograrlo, como la necesidad de impulsar la mejora del sistema

educativo, triplicar la inversión en ciencia y tecnología e innovación;

e incluso se refirió específicamente a la creación de mecanismos de

financiamiento para la innovación.

Además, Elías Micha mencionó que un sistema de innovación

efectivo logrará, entre otras cosas, una adecuada inserción del sector

empresarial en el contexto global que estamos viviendo.

EL PAÍS

ESTADO DE MÉXICO

Fuente: http//idbdocs.iadb.org/wsdocs/getdocument.aspx?docnum=35336021


A continuación presentamos el cúmulo de beneficios de este

proyecto, que tendrá un periodo de ejecución de 36 meses y de

desembolso de 42 meses.

lll. Monitoreo, sistematización y difusión de las experiencias

Objetivo: Definir un modelo flexible o identificar las mejores

prácticas de este proyecto y replicarlas en otros estados del país que

estén interesados.

Mecanismos: Contratar servicios de consultoría para el desarrollo

de metodologías de monitoreo y la evaluación del proyecto, asignar

responsables en CONACyT, revisar experiencias internacionales en

la materia, sistematizar la experiencia del Estado de México y realizar

actividades de difusión, entre otros.

Resultados: Metodología para un sistema de monitoreo y para la

evaluación del proyecto, asignación de responsables por parte del

CONACyT, designación de personal para asimilar la experiencia,

estudio sobre experiencias internacionales, etcétera.

Elías Micha mencionó que sin duda, esta iniciativa permite consolidar

una alianza de orden estratégico para dar un salto importante en

materia de innovación, y propiciar que en el Estado de México,

participe un mayor número de empresas en la economía mundial,

no sólo con la satisfacción de haber fabricado, sino con el orgullo de

haber creado nuevos productos o servicios en la entidad.

l. Reforzamiento institucional para el diseño de planes de innovación estatal

Objetivo: Fortalecer los mecanismos de interlocución público-

privada entre los actores del Sistema Estatal de Innovación.

Mecanismos: Financiar actividades de consultoría de asistencia

técnica y capacitación.

Resultados: Institucionalidad público-privada, 25 profesionales

capacitados para el diseño e implementación de políticas, estudio

de las mejores prácticas internacionales en la creación de agendas

estatales de innovación y una agenda estatal de la innovación.

ll. Apoyo a las inversiones de las PyMES en innovación

Objetivos: Identificar problemas y soluciones tecnológicas de las

PyMES y aumentar en la inversión de las empresas de los estados,

particularmente de las PyMES, en proyectos de innovación.

Mecanismos: Contratar servicios de consultoría para reunir

gestores de redes sectoriales de innovación, realizar talleres o

actividades de identificación de retos tecnológicos, brindar asistencia

técnica para la formulación de propuestas de innovación y asignar

recursos a proyectos de innovación.

Resultados: Identificación de los retos tecnológicos de 100 PyMES

locales, ocho talleres o actividades de identificación, participación de

35 PyMES en ocho proyectos colectivos de innovación, un taller de

análisis de impacto de los proyectos realizados, aumento de 50% de

inversión de las PyMES participantes.

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